Vazões relativas dos rios Negro e Solimões através das concentrações de 18O()

Vazões relativas dos

e

Sol

i

mões através

nos Negro

das concentracões de

18

o

(1)

SINOPSE

Foram encontradas concentrações isotopicas di... ferentes nas águas do Rio Negro e do Rio SolimC1es. Partindo daquela verificação preliminar, foi feita. a amostragem sistemática. de águas daqueles dois rios e do rio Amazonas, procurando-se determinar abaixo da confluência. dos mesmos, o local onde o rio Ama-zonas apresenta. uma estrutura horizontal e vertical homogênea traduzindo perfeita mistura das águas dos rios formadores. Os dados obtidos permitem também o cálculo, com razoável precisão, da vasão relativa de ambos os rios para alguns meses. Verifi... cou-se que a 120 Km da confluência do Negro e o Solimões, ainda não havia mistura perfeita e que abaixo daquele ponto, a confluência do Madeira introduz perturbações na mistura

O grau de mistura. em diferentes pontos apre. senta oscilações em amostras colhidas em diferentes meses. Os dados obtidos pela. medida da concentra. ção isotopica concordam sensivelmente com os re -sultados das medidas diretas efetuadas por Oltman et al (1963).

INTRODUÇÃO

A composição isotópica das águas de preci-pitação depende de um grande número de fato-res os quais estão intimamente ligados com a dinâmica do ciclo hidrológico (Friedman et ai., 1S64; Salati et ai., 1971).

Os fatores determinantes da composição lsotópica da água de precipitação são :

a. A origem do vapor de água que dará forma· ção às precipitações;

b.

Temperatura e mecanismo de condensação;

'

E. M.ATSUI ( *)

E. SALATI (*)

W. L. F.

BRINKMANN (**)

!. F'R:IEDMAN (***)

c. Trocas isotópicas entre a gota de chuva com o vapor d'água do meio ambiente. (Friedman, 1962).

d. Evaporação da gota de chuva durante a precipitação (Woodcock & Friedman, 1963; Oans-gaard, 1964).

Os fatores citados acima realmente inte-gram processos mais detalhados nos mecanis-mos de condensação

e

evaporação, porém já dão uma idéia que pode haver uma grande variação das concentrações isotópicas nas águas de pre-cipitação (Eriksson, 1965; (Craig & Gordon, 1965; Gat et ai., 1972). Estas variações têm sido es-tudadas em todo globo terrestre (Oansgaard, 1964) sendo que alguns poucos dados foram obtidos na Amazônia e publicados pela lnterna-tional Atomic Energy Agency (1971).

Em determinações preliminares (Salati et ai., 1970) verificou-se que as concentrações Iso-tópicas das águas dos rios Negro e Solimões eram diferentes; estas diferenças podem ser facilmente explicadas tendo-se em vista as re-giões de recarga daquelas bacias hidrográficas. O rio Negro (Fig. 1) tem alguns formadores vin· dos do hemisfério Norte e o rio Solimões tem sua alimentação em rios provenientes do hemis-fério Sul. Do hemisfério Norte ainda sofre a in-fluência das águas de degelo das neves Andinas (Salati et alii, 1973; Soares, 1959). Com base nestes dados preliminares iniciou-se uma amos-tragem sistemática de águas daqueles rios in-duindo também medidas do rio Amazonas abai-xo da confluência dos rios Negro e Solimões ( I ) - Trabalho realizado com o auxílio da Comissão Nacional de Energia Nuclear, Fundação de Amparo à Pesquisa

do Estado de São Paulo e lnternational Atomic Energy Agency. A coordenação dos trabalhos foi feita pelo Departamento de Pesquisa Científica e Tecnológica da CNEN.

( * ) - Centro de; Energia Nuclear na Agricultura, USP - CNEN.

( .. ) - Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia.

( ... ) - U . S. Geological Survoy.

LOCALIZAÇAO DA AREA DE TRABALHO 750 700 _o 65° 600 55 0 500 c F 4 N o o _o 4

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10°

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VENEZUEL.A ₄ : 1', ....

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Fig. 1 - HIDROLOGIA ISOTóPICA DA AMAZONlA - Vazões relativas dos rios Negro e Solimões através

~ das concentrações de 18₀

-A fim de se estimar as vazões relativas dos rios Negro e Solimões procurou-se determinar abaixo da confluência dos mesmos, o local

on-de o rio Amazonas apresenta uma estrutura ver

tical e horizontal homogênea, isto é, onde as

águas dos rios formadores estão já

perfeitamen-te

misturadas. Encontrou-se alguma

dificulda-de em se dificulda-determinar este local entre a foz do

rio Negro e a do Madeira onde as águas do rio

Solimões e Negro formassem uma mistura ho-mogênea. Estes problemas são discutidos no parágrafo 3.

Durante um ano foram feitas observações

sistemáticas no rio Negro perto da cidade de Manaus; no rio Solimões nas proximidades de Manaus e no rio Amazonas, em S. José do Ama-tarí mais ou menos 120 km abaixo do encontro

das águas. Com os dados obtidos foi possível

estabelecer as variações isotópicas dos rios e

também estimar com um nível razoável de

pre-cisão as vazões relativas dos rios Negro e Soli·

mões para alguns meses. Em se tratando de

uma região onde os dados hidrológicos são

es-cassos (apenas uma medida de precisão foi

fei-ta da vasão desses rios por Oltman e outros,

(1964), o método apresenta-se promissor e pode ser aplicado a outros locais da Bacia Amazóni·

ca, nos quais medidas de vazões não foram es·

tudadas ainda. Por outro lado, basta que um valor absoluto da vazão seja conhecido para c:ue se possa calcular os outros dois.

MÉTODO DE TRABALHO

LOCAIS DE AMOSTRAGENS :

No rio Negro as amostram foram coletadas

ao longo de uma linha transversal que passa

pela ilha do Marapatá, 5 km acima da foz sendo

as amostras coletadas a diversas profundidades

nas margens direita, esquerda e no meio do rio,

de

acordo com os esquemas indicados nas

figu-ras 4

a

10.

No rio Solimões as amostras foram

coleta-das ao longo de uma linha transversal 30 km

acima da foz, perto da Ilha de Jacurutu de

acor-do

com os esquemas indicados nas figuras

4

a

10~

As amostras sistemáticas do rio Amazonas

foram feitas ao longo de um corte transversal

~~ aproximadamente 120 km abaixo do encontro

dos rios Negro e Solimões nas proximidades de

S. José do Amatarí e os pontos de coleta estão indicados esquematicamente nas figuras de 4

a

10.

TF,CNICA DE MEDIDA :

As medidas das concentrações de 18_{0 foram}

feitas pelos métodos convencionais de

espectro-metria de massa McKinney, et ai., 1950; Epstein

& Mayeda, 1953. Para medida de 18₀

utilizou-se um Espectrômetro de Massa da Varian-Mat modelo CH-4 especialmente adaptado, nos tra-balhos de rotina de nossos laboratórios o des-vio padrão é para b 18= + 0,17°/oo.

Nestas pesquisas no entanto procurou-se aumentar a precisão relativa das medidas e

pa-ra isso tomou-se como referência de tpa-rabalho uma das amostras de água, geralmente a água

do próprio rio Amazonas e determinou-se as

va-tiações das composições isotópicas das outt as

amostras em relação a ela. Conseguiu-se. por

esta técnica, para oxigênio uma precisão da ordem de 6 18- ± 0,05°/oo, e pode-se atingir

uma precisão da ordem de ± 0,02°/oo.

ESTIMATIVAS DAS VAZÕES RELATIVAS

POR DILUIÇÃO ISOTÓPICA

Se as águas de dois rios possuem concen-trações isotópicas, D ou 18_{0, diferentes, pode-se} determinar a vazão relativa de um rio em rela

-ção ao outro, desde que o rio formado por esses

dois percorra uma distância suficiente para que haja uma homogeneização da mistura das águas,

antes que receba outro afluente.

Sejam os afluentes r, e r2 indicados na fi·

gura 4, os formadores do rio r3.

Sejam c, e c2 as concentrações de 18_{0 nas}

aguas dos rios r, e r2, respectivamente, e c3 a

concentração da mistura no rio r3, e q,, q2 e q3 as vazões dos rios r,, r2 e r3, respectivamente. A concentração absoluta de 18_{0 e a soma das}

con-centrações absolutas de 16_0, 17_{0 e} 18_0.

O balanço isotópico para téo será : então: q3c3

=

q,c,

+

q2c2 ... (1) rp

b A daí 'A = 'P (b A + 1) .... (6)

e o balanço da quantidade de água será :

'P

q3

=

q,

+

q2 ... (2) As concentrações naturais dos isótopos de de (2) tiramos que : q, 1

=

---

+

---q,

q3 Se fizermos : q, Qz

=

x, então - -

=

1 - x . . . (3) q3 qs

Pela equação (1) tem-se:

q, q2 C3

=

- -

Ct

+

- -

C2 . . . . . . . . . . . . (4)

q3

q3

substituindo (3) em (4) : C3

=

X . Ct

+

(

1 - X) C2 X

= ---

. .

.

. . .

. .

. . .

. .

(

5)

c,

e a equação que dá a fração contribuída pelo

rio

r,.

Pela expressão (5) pode-se ver que o valor de x depende somente das diferenças das

con-centrações de 180 e não dos valores absolutos

dessas concentrações e o método de análise

utilizado permitiu obter medidas das diferenças

elas concentrações isotópicas com precisão

me-lhor do que 0,05°/0o. Como no processo de

medida utilizado o que se determina

é

o desvio da relação 180j160 entre as amostras, devemos

adaptar a expressão (5) às medidas realizadas,

assim, sejam :

180

'A da amostra

"

180

'P

=

--

de um padrão cujo valor é conhecido 160

34-oxigênio estão aproximadamente na seguinte proporção : 160 : 170 : 180 = 997600 : 400 : 2000. Daqui se tem:

180 180

- - - - -

=

- -

(7) com boa aproximação.

18Q

+

17Q

+

180 160

Pelas relações (6) e (7). a equação (5) torna-se : 6 r3 _b r2

X = • • • o •

.

.

.

.

o • • •

(8)

b r I b '2

Sendo a vazão relativa calculada pela expres· são (8) o erro de x, em função dos erros de 6 r,, b r2 e b r3 é estimado como segue :

Para Deutério :

L~ Rio Amazonas = ;::..Rio Solimões

=

/~Rio Negro

=

1

°/oo

Para Oxigênio :

Li Rio Amazonas =/_\Rio Solimões

=

LiRio Negro

=

0,05

°/oo

DADOS OBTIDOS E DISCUSSÕES :

VALORES MÉDIOS DAS CONCENTRAÇÕES ISOTÓPICAS

Os valores obtidos para as concentrações de 180 estão indicados no Quadro I. As amos-tras foram coletadas por volta do dia 15 de cada

mês. Pode-se verificar pela Figura 2, que s,e.

gundo o regime dos rios as concentrações

iso-tópicas são bem diferentes, podendo-se aplicar o método descrito no parágrafo 2 e em outros

meses as diferenças são tão pequenas que o método não pode ser aplicado com bons resul -téldos práticos.

Data 09/71 10/71 11/71 12/71 01/72 02/72 03172 04/72 05/72 06/72 07172 08172 09172 01/73 Rio Negro 180 --4,8 - 4,1 -4,5 -4,6 -4,6 -4,5 -4,5 -5,0 -5,7 -7,9 -6,6 -5,9 -4,6 -4,0 Rio Solimões 180 -5,6 - 5,3 -6,2 -6,2 -6,1 -6,5 -6,7 -7,6 - 8,0 -8,1 -7,6 -7,0 - 5,7 -5,8 Rio Amazonas 180 -6,9 -7,1 - 7,9 - 7,2 -6,6 -5,2 -5,4

QUADRO I Dados médios de 618 dos rios

Ne-gro, Solimões e Amêzonas nos locais indicados

na Figura 4. Erro da medida: + 0,2°

joo.

HOMOGENEIDADE DA MISTURA DAS ÁGUAS

DOS RIOS NEGRO E SOLIMÕES

Como indicou-se no parágrafo 2, para que

o cálculo das vazões relativas pelo método de diluição isotópica possa ser utilizado, é

neces-sário que haja uma completa mistura das águas

dos rios formadores. As primerias observações para se determinar o local em que as águas dos rios Negro e Solimões estivessem misturadas, foram feitas sobrevoando-se a região de enco n-tro das águas e observando-se a cor das mes-mas que são perfeitamente distinguíveis. As águas do rio Negro são escuras justificando o

nome que tem e as águas do Solimões apresen

-tam-se geralmente amarelada-barrenta; a pri-meira indicação foi que aparentemente a 40 km

da foz os rios estavam misturados, distância

esta que depende da época do ano. Posterior-mente foram feitas amostragens para análise isotópica em alguns cortes transversais do rio

Amazonas abaixo de Manaus, foi possível

veri-ficar que a completa mistura não havia se

rea-lizado nem 120 km abaixo. Os dados da fig. 3

dão uma idéia da dimensão do problema.

A dificuldade da mistura lateral de rios já

foi salientada por Krouse & Mekay (1971) que

utilizando o método de diluição isotópica das

concentrações de 180 estudaram o problema da

mistura das águas dos rios Liand-Mackenzie no

Canadá e observaram que a distância para

uma completa homogeneização foi da ordem de

300 km.

Em vista dos dados obtidos tomou-se como

local para amostragem sistemática no

Amazo-nas a cidade de S. José do Amatarí

aproxima-damente a 120 km da foz do Negro com o Sol i

-mães porque logo abaixo está a foz do rio Ma

-deira o qual pelo volume de água que possue traz novas perturbações na mistura.

CÁLCULO DA VAZÃO RELATIVA

Os valores das concentrações isotópicas

para estimativa da vazão estão indicados para

uada mês nas figuras 4 a 1 O, sendo que o erro

padrão dos valores indicados foi da ordem de

0,05°/oo. Como pode-se ver pelos valores

apresentados nos cortes transversais das figu

-r8s 4 a 1 O as águas tanto do rio Negro como do

Solimões eram perfeitamente homogêneas. Em

.S. José do Amatarí, no entanto, a mistura late

-ral não estava completa, variando o grau de

ho-mogeneidade de acordo com o mes. Para cál

-t:ulo da vazão, tomamos uma média dos valores

obtidos em diversos pontos dos rios estudados

e os vasos calculados com esses dados e com

auxílio da expressão 8, estão no quadro 2.

Nos meses estudados observamos que a

contribuição do Negro foi menor em janeiro com

valor de (20 ± 5)% e a maior contribuição

ocor-reu no mês de julho com valor de (43 ± 9)%.

Comparando os dados obtidos pelo método

de diluição isotópica com os dados de medidas

diretas de vazão realizadas por Oltman et ai (1963) e admitindo-se que as vazões relativas foram semelhantes no ano estudado (1963) e em

1972, observamos existir uma boa concordância

nos resultados, como pode-se ver pelo

Qua-dro 111.

18 ( + 0,05ojoo ) _{Vazão Vazão}

D a t a % %

Rio Negro

I

Rio Solimões

I

Rio Amazonas Rio Negro Rio Solimões

I Abril/72 -5,02 -7,61 --6,91 38±4 62± 4 Maio/72 -5,68 --8,00 -7,07 33±4 67+4 Junho/72 -7,90 --8,05 -7,94 -

-Julho/72 --6,57 - 7,64 -7,18 43±9 57±9 Agosto/72 -5,90 -7,03 --6,55 42±9 58± 9 Setembro/72 -4,56 - 5,68 -5,22 41+9 59± 9 Janeiro/73 -3,95 -5,80 -5,43 20+5 80±5

QUADRO 11 - Concentração de 18_{0 nos rios Negro e Solimões nas proximidades de Manaus e no rio}

Ama-zonas em Amatarí. Vazões relativas dos rios Ne::~ro e Solimões.

Rio Oltman (1964) Oltman (1964) Gessner (1959) Este Trabalho

Vazão (m 3/5) % % % NEGRO 64.967 38,4 40,0 43+9 (Manaus> SOLIMOES 104.402 61,6 GO,O 57±9 (perto de Manaus) AMAZONAS r 169.369 (S. José do Amatarí)

QUADRO 111 - Vazões absolutas dos rios Negro, Soli mões e Amazonas medidas por Oltman et ai (1964) em

julho de 1963 e vazões relativas medidas por Gessner (1959) em maio de 1959 e por diluição isotópica

(julho de 1972).

$UM MARY

Isotopic concentration was detected in different

spots of Rio Negro, Rio Solimões and Rio Amazonas

at regular intervals, for 12 consecutive months.

Values as found in Rio Negro waters were

signifi-cantly different. Difference between isotopic

concen-tration found in Rio Negro and Rio Solimões was

considered as useful information for identifying the

spot where Rio Amazonas, formed by the confluence

of Negro and Solimões, presents a homogenous vertical and horizontal structure after complete

mixing of both rivers. A perfect mixture was not

found up to 12f km below the confluence. Systematic

sampling was found to be a method for the determL

nation of relative outflow of both rivers. Data as

obtained are close to the results of direct mea

sure-ments performed by Oltman et al (1963).

3 6

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s

16

o

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-2.0

_3,0 -4,0 _5,0 -6,0 - 7,0

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NOV DEZ JAN

I 9 7 2

FEV MAR ABR MAl JUN JUL

• RIO NEGRO

o RIO· SOLIMOES X R I O· AMAZONAS

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_{/ /} NOV DEZ 197~ JAN

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•

lOm 20m 30m 40m !:iOm

•

- 5ola

- t. ...

DATA: MARÇO 1972 10m 20m 30m 40 m SOm

...

B ESC. 1: 1.000.000 ZS KN.

Fig. 3 - HIDROLOGIA JSOTóPICA DA AMAZONlA - Concentrações de ó 18 em águas do rio Amazonas nos cortes indicados

.f:> o

I

I

"

10m 20m 30m 40m

som

lOm 20m 30m 40m 50 m A

-,

~

DATA: ABRI L 197 2 lOm 20m

:;om

40m 50m

c

•

_6, 84

~

•

-6,91 Esc./r: r.ooo.ooo 25 KM.

Fig. 4 - HIDROLOGIA ISOTOPICA DA AMAZONlA

Concentraçõe-s de ó 18 em águas dos rios Negro, Solimões e Amazonas

•

~

...

lOm 20m 30m 40m 50m lOm 20m B

~

.

-9,00 A'

e·

DATA: MAIO 1972. lOm 20m 30m 40m SOm

h

Fig. 5 - HIDROLOGIA ISOTóPICA DA AMAZôNIA

Concentraçõ~ de ó 18 em ~guas dos rios Negro, Solimõe~ e Amazonas

c•

30m

---som

-~ 1'\:) lOm w 20m 30m 40m 50 m 10m 20m 30m 40 m 50 m A' B

e

•

DATA: JUNHO 1972 " 10 m 20m 30m 40m 50m

~

ES~

·/

•

:

r.ooo.ooo 25 KM

Fig. 6 - HIDROLOGIA ISOTóPICA DA AMAZôNIA

Concentraçõc.~ de ó 18 em ãguas dos rios Negro, Solimões

e Amazonas

.;. w lOm 20m 30m 40m SOm lOm 20m 30m 40m 50m

•

- Go48 _. 7.67

•

- 6,65 _.7.61 _

•

7,63

-=-

~

B' DATA: JULHO 1972 lOm 20m 30m 40m 50m

•

- 6o69 - 7

•

,41 ESC. I 1: 1.000 000 251(N.

Fig. 7 - IDDROLOGrA JSOTóPICA DA AMAZONIA Concentraçõc;s de ó I 8 em águas dos rios Negro, Solimões

....

~ lO m 20m 30m 40m SOm lOm 20m 30m 40m SOm DATA: AGOSTO 1972 lOm 20m 30m 40m SOm

•

•

-6,42

Fig. 8 - HIDROLOGIA lSOTóPICA DA AMAZONIA

Concentrações de 5 18 em águas dos rios Negro, Solimões

e Amazonas

-~'» 0'1

.

,

10m 20m 30m 40m 50m lOm 20m 30m 40m SOm A A' OATA: SETEMBRO 1972 10m 20m ·30m 40m 50m

Fig. 9 - IDDROLOGIA ISOTóPICA DA AMAZONII\

Concentrações de ó 18 em águas dos rios Negro, Solimões

.,.

O) I ..._, . . ._._._._._ . . ._._._._._._._._._._._._._, . . ._._._._._._._._._._._._._._._._._._._._._._._._._._._._._ . . . 10m 20m 30m 40m 50m lOm 20m 30m 40m 50m A

~

B

B'

DATA: JANEIRO 1973 lOm 20m 30m 40m 50m

c

•

-5,26 -5,47

•

•

-5,47

~

ESC. 11:1.000.000 . . . I I I I

Fig. 10 - HIDROLOGIA ISOTOPICA DA AMAZôNIA

Concentraçõc:s de 6 18 em águas dos tios Negro, Solimões

e Amazonas